第5章过程通道.pptx

第第1 1节节 过程通道的概念过程通道的概念一一 过程通道的概念过程通道的概念计算机控制系统基本原理图计算机控制系统基本原理图r r给定值给定值计算机计算机 -被控量被控量控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象A/DA/DD/AD/A过程（输入输出）通道：是计算机和工业生产过程相互交过程（输入输出）通道：是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。换信息的桥梁。根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道分类如下：通道分类如下：二二 过程输入输出通道的组成与功能过程输入输出通道的组成与功能 模拟量输入通道：模拟量输入通道：模拟量输出通道：模拟量输出通道：生产过程的参数生产过程的参数(如温度、压力、流量、速度、位如温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等移、电流、电压等)一般是随时间连续变化的模拟一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件或变送器将其转换为对应的模拟量，通过检测元件或变送器将其转换为对应的模拟电压或电流，并转化为数字信号的过程；电压或电流，并转化为数字信号的过程；把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）并传输给被控对象的过程；或电流）并传输给被控对象的过程；数字量数字量(开关量开关量)输入通道：输入通道：数字量数字量(开关量开关量)输出通道：输出通道：拾起或检测反映生产过程或设备工况的开关信号拾起或检测反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）、脉冲信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）、脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）并传输给微机的过（如速度、位移、流量脉冲等）并传输给微机的过程；程；将数字信号从微机传输给那些接受数字信号的执将数字信号从微机传输给那些接受数字信号的执行机构和显示、指示装置的过程。行机构和显示、指示装置的过程。注意：注意：数字量输入输出通道包括多字节型数字量。数字量输入输出通道包括多字节型数字量。过程输入输出通道示意图过程输入输出通道示意图三三 过程输入输出通道与过程输入输出通道与CPUCPU交换的信息类型交换的信息类型 3 3控制信息控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等：用来控制过程通道的启动和停止等 信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动 等。等。2 2状态信息状态信息：又叫协议信息，如应答信息、握手信：又叫协议信息，如应答信息、握手信 息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号。息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号。过程输入输出通道与过程输入输出通道与CPUCPU交换的信息类型有三种：交换的信息类型有三种：注注意意：在在过过程程输输入入输输出出通通道道中中，必必须须设设置置一一个个与与CPUCPU联联系系的接口电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。的接口电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。1 1数据信息数据信息：反映生产现场的参数及状态的信：反映生产现场的参数及状态的信 息，它包括数字量、开关量和模拟量。息，它包括数字量、开关量和模拟量。四四 过程通道的编址方式过程通道的编址方式 2 2过程通道与存储器独立编址方式过程通道与存储器独立编址方式1 1过程通道与存储器统一编址方式过程通道与存储器统一编址方式 由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种：道编址方式有两种：五五 过程通道接口设计应考虑的问题过程通道接口设计应考虑的问题 接接口口电电路路起起着着连连接接过过程程通通道道与与CPUCPU的的桥桥梁梁作作用用，它的基本任务有：它的基本任务有：1 1控控制制信信息息的的传传递递路路径径：即即根根据据控控制制的的任任务务在在众众多多的的信信息息源源中中进进行行选选择择，2 2控控制制信信息息传传送送的的顺顺序序：计计算算机机控控制制的的过过程程就就是是执执行行程程序序的的过过程程，为为确确保保进进程程正正确确无无误误，接接口口电电路路应应根根据据控控制制程程序序的的要要求求，适适时地发出一组有序的门控信号。时地发出一组有序的门控信号。以确定该信息传送的路径和目的地。以确定该信息传送的路径和目的地。在过程通道接口电路设计中应解决以下问题：在过程通道接口电路设计中应解决以下问题：1 1触发方式：触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭特定部件发出开启或关闭(触发触发)信号，这必然涉及到信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。同步触发和异步触发的方式。2 2时序：时序：控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。制信号驱动下实现的。3.3.负载能力：负载能力：一旦控制逻辑确定后，系统能否可一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。载是否匹配。第二节第二节 模拟量输入通道模拟量输入通道一、模拟量输入通道的结构一、模拟量输入通道的结构模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控微处理器之间的接口，一般由传感器、信号调理微处理器之间的接口，一般由传感器、信号调理电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器(S/H)(S/H)和和A/DA/D转换器组成。其中转换器组成。其中A/DA/D转换器是实现模拟待转换器是实现模拟待测信号到数字信号之间转换的关键部件。测信号到数字信号之间转换的关键部件。模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式，同的结构形式，1 1、单路模拟量输入通道、单路模拟量输入通道2 2、多路模拟量输入通道、多路模拟量输入通道接口电路信号处理信号处理信号处理传感器1传感器2传感器nA/D转换器多路开关采样保持微型计算机1 1、多路转换器、多路转换器多路转换器又称多路开关，它是用来切换模拟电压多路转换器又称多路开关，它是用来切换模拟电压信号的关键元件。信号的关键元件。多路开关功能：多路开关功能：把多个模拟量参数分时地接通并送入把多个模拟量参数分时地接通并送入A/DA/D转换器，即完成多到一的转换；或者把经计算机处转换器，即完成多到一的转换；或者把经计算机处理，且由理，且由D/AD/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换。前者成为多路开关，后者叫做多路分配器，多的转换。前者成为多路开关，后者叫做多路分配器，或叫做反多路开关。或叫做反多路开关。二、模拟量输入通道中的常用器件及电路二、模拟量输入通道中的常用器件及电路理想多路开关要求：理想多路开关要求：开路电阻应为无穷大，接通时开路电阻应为无穷大，接通时的导通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、的导通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。工作可靠。实际多路开关性能：实际多路开关性能：导通电阻导通电阻1010几欧，开关速度几百几欧，开关速度几百纳秒纳秒多类开关的分类：多类开关的分类：1)1)单向多路开关单向多路开关(1(1对多或多对对多或多对1)1)，如，如AD7501AD7501（8 8路）、路）、AD8506(16AD8506(16路路)；2)2)双向多路开关（双向多路开关（1 1对多且多对对多且多对1 1），如），如CD4051CD4051；3 3）矩阵多路开关（多对多），如）矩阵多路开关（多对多），如MT8816MT8816；多路开关实例：多路开关实例：CD4051CD4051 CD4051是8通道多路开关带有3个通道选择输入端A、B、C，用于选择8个通道之一一个禁止输入端INH，高电平时，禁止模拟信号输入；低电平时允许模拟信号输入V VDDDD与与V VSSSS的电平差为的电平差为0.5 15V0.5 15VCD4051CD4051的真值表的真值表 输入状态输入状态接通通道接通通道在实际应用中，如果被测参数多于8路，可以采用将多个CD4051 相连进行扩展。*由由D0D1D2D3来选择来选择16路路通道之一通道之一*其中其中D30，选中，选中1*其中其中D31，选中，选中2CD4051多路开关的扩展应用2.1 2.1 2.1 2.1 概述概述概述概述问题：问题：模拟信号进行模拟信号进行 A AD D 转换时，从启动转换到转转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。解决方法：解决方法：采用一种器件，在采用一种器件，在A AD D转换时保持住输入转换时保持住输入信号电平，在信号电平，在A AD D转换结束后跟踪输入信转换结束后跟踪输入信号的变化。号的变化。这种功能的器件就是采样保持器。这种功能的器件就是采样保持器。2 2、采用保持器、采用保持器2.2 2.2 2.2 2.2 采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的一般结构形式如图所示。采样保持器的一般结构形式如图所示。模拟信号模拟信号U Ui iK K驱动信号驱动信号A AC CH H模拟地模拟地U UO O组成组成 模拟开关模拟开关K K电容电容C CH H缓冲放大器缓冲放大器A A在在t1时刻前时刻前，控制电路的驱控制电路的驱动信号为高电平时，动信号为高电平时，模拟开模拟开关关K 闭合，模拟输入信号闭合，模拟输入信号Ui 通过模拟开关加到电容通过模拟开关加到电容CH 上，使得上，使得CH端电压端电压UC 跟随跟随Ui 变化而变化。变化而变化。在在t1时刻，驱动信号为低电时刻，驱动信号为低电平，模拟开关平，模拟开关K断开断开，此时此时电容电容CH 上的电压上的电压UC 保持保持模拟开关断开瞬间的模拟开关断开瞬间的Ui 值值不变并等待不变并等待AD转换器转转换器转换换。工作原理如下：工作原理如下：t控控制制信信号号t模模拟拟输输入入At采采样样输输出出跟踪跟踪t1A2t2A1t3保持保持A3t4A图图5.2 采样保持器工作原理采样保持器工作原理而在而在t2时刻，保持结束，时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到新一个跟踪时刻到 来，来，此时驱动信号又为高电此时驱动信号又为高电平，模拟开关平，模拟开关K 重新闭重新闭合，合，CH 端电压端电压UC 又跟又跟随随Ui 变化而变变化而变 化；化；t3时刻，驱动信号为低时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关电平时，模拟开关K断断开开，.。从以上讨论可知：从以上讨论可知：采样采样保持器是一种用逻辑电平控保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。制其工作状态的器件。采样保持器的工作状态：采样保持器的工作状态：跟踪状态跟踪状态 在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。指令为止。保持状态保持状态 对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。持。采样保持器主要作用：采样保持器主要作用：“稳定稳定”快速变化的输入信号，以减少转换误差。快速变化的输入信号，以减少转换误差。用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。拟多路开关切换下一个模拟信号。2.3 2.3 采样保持器使用中应注意的问题采样保持器使用中应注意的问题采样保持器和采样保持器和A AD D转换器各完成一次动作所转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期需时间之和应小于采样周期采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。器的质量。因此，应该选择优质电容器。2.4 2.4 常用的采样常用的采样/保持器保持器 常用的采样常用的采样/保持器集成电路有保持器集成电路有AD582AD582、AD583AD583、AD585AD585、AD346AD346、THS-0025THS-0025、LF198/298/398LF198/298/398等。下面等。下面以以LF398LF398为例，介绍集成电路为例，介绍集成电路S/HS/H的工作原理，其他的的工作原理，其他的S/HS/H的原理与其大致相同。的原理与其大致相同。LF398 LF398是一种反馈型采样是一种反馈型采样/保持器，也是较为保持器，也是较为通用的采样通用的采样/保持器，与保持器，与LF398LF398结构相同的还有结构相同的还有LF198LF198、LF298LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10s10s，输入阻抗为，保持电容为，输入阻抗为，保持电容为1F1F时，其下降速度为时，其下降速度为5mV/min5mV/min。双电源供电，电源范围宽，可以从。双电源供电，电源范围宽，可以从5V5V到到18V18V。LF398LF398的组成原理图如图所示。的组成原理图如图所示。引脚排列如图所示。引脚排列如图所示。各引脚功能如下：各引脚功能如下：V+V+、V-V-：正负电源电压输入引脚，输入范围为：正负电源电压输入引脚，输入范围为5V5V到到18V18V。OFFSET ADJOFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用外接电阻调整：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样采样-保持器的偏差。保持器的偏差。V VININ：输入引脚。：输入引脚。V VOUTOUT：输出引脚。：输出引脚。C CH H：保持电容引脚。用来外接保持电容。：保持电容引脚。用来外接保持电容。LOGIC REFLOGIC REF：参考逻辑电平。：参考逻辑电平。LOGICLOGIC：输入控制逻辑。：输入控制逻辑。LF398LF398典型的电源和信号的接法典型的电源和信号的接法保持电容保持电容C CH H可选用漏电流较小的可选用漏电流较小的聚苯乙烯电容、云母聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容电容或聚四氟乙烯电容。C CH H的数值直接影响采样时的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容容C CH H的容量，但的容量，但C CH H增大时又会使其采样时间加长。因增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（此，当精度要求不高（1%1%）而速度要求较高时，）而速度要求较高时，C CH H可小至可小至100f100f。当精度要求高（。当精度要求高（0.01%0.01%）时，应）时，应取取C CH H=1000F=1000F。当。当C CH H 400F 400F时，采样时间时，采样时间t tACAC与与C CH H有经验公式有经验公式t tACAC=C=CH H/40/40 式中，式中，C CH H为保持电容的容量，单位为为保持电容的容量，单位为FF；t tACAC为采样为采样时间，单位为时间，单位为s s。保持电容的选择保持电容的选择三、模拟信号的调理三、模拟信号的调理在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型：在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型：传感器输出的信号传感器输出的信号变送器输出的信号变送器输出的信号 电压信号：一般为电压信号：一般为mVmV或或VV信号。信号。电阻信号：单位为电阻信号：单位为，如热电阻（，如热电阻（RTDRTD）信号，）信号，通过电桥转换成通过电桥转换成mVmV信号。信号。电流信号：一般为电流信号：一般为mAmA或或AA信号。信号。电流信号：一般为电流信号：一般为010mA（01.5k负载）或负载）或420mA（0500负载）。负载）。电压信号：一般为电压信号：一般为05V或或15V信号。信号。模拟信号的调理理由：模拟信号的调理理由：2 2、电流信号转化为电压信号；、电流信号转化为电压信号；注意：注意：信号调理电路的设计主要是根据传感器输信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及出的信号、变送器输出的信号及A/DA/D转换器的具体转换器的具体情况而有所不同。情况而有所不同。3 3、非电压信号转化为电压信号；、非电压信号转化为电压信号；4 4、噪音信号的抑制；、噪音信号的抑制；1 1、电压信号的、电压信号的“标准化标准化”；3.1 3.1 电桥电桥 电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。广泛应用。与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质可分为按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥直流电桥与交流电桥；按照桥；按照桥臂阻抗性质又可分为臂阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。电阻电桥、电容电桥和电感电桥。（以直流电桥为例）（以直流电桥为例）直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件3.2 3.2 运算放大器运算放大器 运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、乘、放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外设电除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放大器等测试装置。大器等测试装置。（1 1）单端运算放大器）单端运算放大器 功能：功能：1、输入为单端；、输入为单端；2、在不存在共模电压的时候使用、在不存在共模电压的时候使用（2）差动放大器差动放大器当当得得特点：特点：1、输入为双端；、输入为双端；2、在不存在共模电压的时候使用、在不存在共模电压的时候使用3、调整放大系数，则调零点破坏破坏平衡条件、调整放大系数，则调零点破坏破坏平衡条件（3 3）测量放大器）测量放大器 三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表放三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表放大器。大器。由电路分析可知由电路分析可知 通常电路中通常电路中 则测量放大器的增益为则测量放大器的增益为四、模拟量输入通道的设计四、模拟量输入通道的设计1 1、模拟量输入通道的应考虑的问题：、模拟量输入通道的应考虑的问题：信号的拾起方式；信号的拾起方式；信号的调理；信号的调理；A/DA/D转换器的选择；转换器的选择；电源的配置；电源的配置；2 2、模拟量输入通道的设计、模拟量输入通道的设计第三节第三节 模拟量输出通道模拟量输出通道一一 模拟量输出通道的一般结构模拟量输出通道的一般结构模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。回路上，完成对执行机构的控制动作。模拟量输出通道通常由模拟量输出通道通常由D/AD/A转换器、输出保持器、多路转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路所组成。切换开关、低通滤波电路和功放电路所组成。1 1、单模拟量输出通道的结构、单模拟量输出通道的结构组成：接口电路、寄存器、组成：接口电路、寄存器、D DA A转换器和放大变转换器和放大变换电路换电路2 2、多模拟量输出通道的结构、多模拟量输出通道的结构 多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。持器的构成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。种基本结构形式。这是一种数字保持方案。这是一种数字保持方案。优点优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路转换速度快，工作可靠，即使某一路D/AD/A转换转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。器发生故障，也不影响其他通道的工作。缺点缺点:使用了较多的使用了较多的D/AD/A转换器，使得这种结构的价转换器，使得这种结构的价格很高。格很高。2.1 一个通道设置一片一个通道设置一片D/A转换器转换器2.2 2.2 多个通道共用一片多个通道共用一片D/AD/A转换器转换器 共用共用D/AD/A转换器的结构形式如图所示。转换器的结构形式如图所示。由于公用一片由于公用一片D/AD/A转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把依次把D/AD/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样关传送给输出采样保持器。保持器。优点优点:节省了节省了D/AD/A转换器。转换器。缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。它还要使用多路开关，且要求输出采样合。它还要使用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息，这就需要将电压信号再转换成电流来传送信息，这就需要将电压信号再转换成电流信号，完成电流输出方式的电路称为信号，完成电流输出方式的电路称为V/IV/I变换电路。变换电路。电流输出方式电流输出方式一般有两种形式：一般有两种形式：1 1普通运放普通运放V/IV/I变换电路变换电路 2 2集成转换器集成转换器V/IV/I变换电路变换电路二、二、电压电压/电流转化电路电流转化电路 2.2.1 1 普通运放普通运放V/IV/I变换电路变换电路 （1 1）0 10 mA0 10 mA的输出的输出 +-Vin010 VAT1T2I0Vf+VsR1R2R3R4R5R6RfRL 图为010 V/010 mA的变换电路，由运放A和三极管T1、T2组成，R1 和 R2是输入电阻，Rf 是反馈电阻，RL是负载的等效电阻。输入电压Vin 经输入电阻进入运算放大器A，放大后进入三极管T1、T2。由于T2射极接有反馈电阻R f，得到反馈电压Vf加至输入端，形成运放A的差动输入信号。该变换电路由于具有较强的电流反馈，所以有较好的恒流性能。输入电压输入电压 V Vin in 和输出电流和输出电流 I Io o 之间关系如下：之间关系如下：若若 R R3 3、R R4 4R Rf f、R RL L，可以认为，可以认为 I Io o 全部流经全部流经 R Rf f，由此可得，由此可得:V V V VininR R4 4/（R R1 1R R4 4）I Io oR RL LR R1 1/（R R1 1R R4 4）V V I Io o（R Rf fR RL L）R R2 2/（R R2 2R R3 3）对于运放，有对于运放，有V V V V，则，则 V VininR R4 4/（R R1 1R R4 4）I Io oR RL LR R1 1/（R R1 1R R4 4）=I=Io o（R Rf fR RL L）R R2 2/（R R2 2R R3 3）若取若取R R1 1=R=R2 2 ，R R3 3=R=R4 4，则由上式整理可得，则由上式整理可得 I Io o=V=VininR R3 3/（R R1 1R Rf f ）可以看出，输出电流可以看出，输出电流 I Io o 和输人电压和输人电压 V Vinin 呈线性对应的单值函数关系。呈线性对应的单值函数关系。R R3 3/（R R1 1R Rf f）为一常教，与其他参数无关。）为一常教，与其他参数无关。若取若取V Vinin 0 010 V10 V，R R1 1=R=R2 2=100 k=100 k，R R3 3=R=R4 4=20 k=20 k，R Rf f 200 200，则输出电流，则输出电流I Io o=0 10 mA=0 10 mA。（2 2）4 20 mA4 20 mA的输出的输出图为图为1 5 V/4 20 mA1 5 V/4 20 mA的变换电路，两个运放的变换电路，两个运放A A1 1、A A2 2均接成射极输出形式。均接成射极输出形式。+-A1+-A2T2T1T3Vin15VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+VsV32.2 2.2 集成转换器集成转换器V/IV/I变换电路变换电路 图是集成图是集成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B20的引脚图，采用单的引脚图，采用单正电源供电，电源电压范围为正电源供电，电源电压范围为101032V32V，ZF2B20ZF2B20的的输入电阻为输入电阻为10K10K，动态响应时间小于，动态响应时间小于25S25S，非，非线性小于土线性小于土 0.0250.025。三、模拟量输出通道设计举例三、模拟量输出通道设计举例模拟量输出通道一般根据系统需求可由多路开关、采样模拟量输出通道一般根据系统需求可由多路开关、采样保持器、保持器、D/AD/A转换器及接口电路等组成。采样保持器的转换器及接口电路等组成。采样保持器的作用及工作原理如前中所述，多路开关在模拟量输出通作用及工作原理如前中所述，多路开关在模拟量输出通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路开关将一路道中的作用是实现多选一操作，即利用多路开关将一路D/AD/A转换器的输出分时切换至后级的各执行机构。转换器的输出分时切换至后级的各执行机构。3.1 模拟量输出通道设计的基本方法 模拟量输出通道的设计原则主要考虑以下几点：l 安全可靠 尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术。l 性能价格比高 既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、芯片元件上降低成本。l通用性 D/A转换模板的设计应具有通用性，它主要体现在三个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输出方式。对于电流输出而言，常用的是010mA DC或420mA DC这两种信号范围，能满足该范围输出的电路所示。DAC0832输出电流经运算放大器Al和A2变换成输出电压V2，再经三级管T1和T2变换成输出电流IOUT。当短接柱K1的12短接时，通过调零点电位器W1和量程电位器W2，为外接负载RL提供010mA DC电流；当K1的13短接时，通过调节W1和W2，为RL提供 420mA DC电流。D/A转换的电流输出 若需电压输出则有单极性和双极性两种输出形式，如图所示。当短接柱K2的12短接时，则为单极性电压（010V DC）输出；K2的14和23短接时，则为双极性电压（10V DC010V DC）输出。D/A转换的单/双极性电压输出3.2 模拟量输出通道的设计 模拟量输出通道设计步骤是：确定性能指标，设计电路原理图，设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数字电路和模拟电路应分别排列走线，尽量避免交叉，连线要尽量短。模拟地（AGND）和数字地（DGND）分别走线，通常在总线引脚附近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调试时，一般是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能指标逐项考核。图（a）、（b）给出了具有8路D/A转换的模拟量输出通道模板结构框图和其中1路的电路原理图。该模板由总线接口逻辑、8片DAC0832以及V/I变换电路等组成。8路D/A转换模板(a)图 8路D/A转换模板(b)其中每路的其中每路的D/AD/A转换器均接为单缓冲输入工作方式，转换器均接为单缓冲输入工作方式，且均具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的且均具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的V/IV/I变变换电路与负载共电源，输出电流换电路与负载共电源，输出电流I IOUTOUT=V=VCCCC/R5/R5。当。当R5=500R5=500，V VCCCC0 05V5V时，时，I IOUTOUT=0=010mA10mA；当；当R5R5250250，V VCCCC=1=15V5V时，时，I IOUTOUT=4=420mA20mA。设设8 8个输出数据存放在内存数据段个输出数据存放在内存数据段BUF0BUF0BUF7BUF7单元中，单元中，主过程已装填主过程已装填DSDS，8 8片片DAC0832DAC0832占据从占据从CH0CH0开始的开始的8 8个连续地个连续地址，输出子程序如下：址，输出子程序如下：DOUT PROC NEARMOV DX,CH0MOV CX,8MOV BX,OFFSET BUF0NEXT:MOV AL,BXOUT DX,ALINC DXINC BXLOOP NEXTRETDOUT ENDP第三节 数字量输入输出通道一、数字量输入输出通道的结构数字量输入输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑电路、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口亦即数字量输入信号调理和输出信号驱动电路。各种数字量输入输出电气接口作用：主要完成滤波、电平转换、隔离和功率驱动等功能。输入缓冲器功能：对输入信号缓冲、加强和选通；输出锁存器功能：对输出信号锁存供外围设备使用；1 1 信号转换处理信号转换处理 从从工工业业现现场场获获取取的的开开关关量量或或数数字字量量，在在逻逻辑辑上上表表现现为为逻逻辑辑“1”1”或或逻逻辑辑“0”0”，信信号号形形式式则则可可能能是是电电压压、电电流流信信号号或或开开关关的的通通断断，其其幅幅值值范范围围也也往往往往不不符符合合数数字字电电路路的的电电平平范范围围要要求求，因因此此必必须须进进行行转转换处理。换处理。对于电压输入，V1某一值，为逻辑1对于电流输入，I 某一值，为逻辑1二、数字量输入信号调理和信号隔离二、数字量输入信号调理和信号隔离电压输入电路如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范V1V2电流输入电路如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范开关触点输入电路对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1”S闭合，V2=0V，为逻辑“0”V2R地阻值可在4.7K100K之间选取2 安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取安全保护措施。信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬间干扰等。就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压（过电流），例如雷电引起的等。因此还需要有安全保护电路。常用的保护电路为：输入保护电路电平转换与保护电路组合使用的一个例子：这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管3 3 隔离处理隔离处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平；即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号；因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源和地线）现场侧CPU侧机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510 ms。4 4 消除触点抖动消除触点抖动去抖的方法：去抖的方法：1.软件（延时）2.硬件 在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。二、数字量输出信号隔离和驱动电路二、数字量输出信号隔离和驱动电路1 隔离处理 当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电压通过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系统。下图是采用了光电隔离的开关量输出电路。低压小功率开关量输出2 开关量输出驱动电路开关量输出驱动电路小功率低压开关量输出 功率场效应输出 继电器输出可控硅输出集成功率电子开关输出 小功率低压开关量输出小功率低压开关量输出 对对于于低低压压小小功功率率开开关关量量输输出出，可可采采用用晶晶体体管管、OCOC门或运放等方式输出。门或运放等方式输出。图图给给出出的的两两种种电电路路一一般般仅仅能能提提供供几几十十毫毫安安级级的的输输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。低压小功率开关量输出 功率场效应输出功率场效应输出 功功率率场场效效应应管管(MOSFET)(MOSFET)是是压压控控电电子子开开关关，只只要要在在其其栅栅极极G G和和源源极极S S之之间间加加上上足足够够的的控控制制电电压压，漏漏极极D D和和源极源极S S之间可导通。之间可导通。MOSFETMOSFET的的栅栅极极控控制制电电流流为为微微安安级级，而而导导通通后后漏漏极极D D和源极和源极S S之间允许通过较大的电流。之间允许通过较大的电流。例例如如IRF640IRF640导导通通时时，D D、S S间间允允许许通通过过的的最最大大电电流流可达可达1818安培。安培。功率场效晶体管的典型使用方法 继电器输出继电器输出 继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。使用继电器输出时，为克服线圈反电势，常在继电器的线圈上并联一个反向二级管。继电器输出也可以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可采用阻容电路予以吸收。继电器式开关量输出继电器式开关量输出带光电隔离的继电器输出接口电路 可控硅输出可控硅输出 作为一种大功率半导体无触点开关器件，可控硅具有以较小的功率来控制大功率的特点，因此在计算机控制系统中被广泛地用作功率执行元件，一般是由计算机发出数字触发脉冲信号实现其通断控制。光电隔离的双向可控硅输出 固态继电器输出接口固态继电器输出接口有交流、直流两种固态继电器。有交流、直流两种固态继电器。直流固态继电器：就是晶体管（功率场效应管）输直流固态继电器：就是晶体管（功率场效应管）输出，区别在于：将光电耦合（隔离）、驱动、功率出，区别在于：将光电耦合（隔离）、驱动、功